EFECTO DE LA DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA Y ULTRASONIDO COMO PRETRATAMIENTO EN EL SECADO DE BATATA MORADA (Ipomoea batatas L.) EN UN SECADOR TIPO TÚNEL ALBA LUZ DÍAZ ÁVILA UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA FACULTAD DE INGENIERÍAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS MAESTRÍA EN CIENCIAS AGROALIMENTARIAS BERÁSTEGUI, 2020
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EFECTO DE LA DESHIDRATACIÓN
OSMÓTICA Y ULTRASONIDO COMO
PRETRATAMIENTO EN EL SECADO DE
BATATA MORADA (Ipomoea batatas L.) EN
UN SECADOR TIPO TÚNEL
ALBA LUZ DÍAZ ÁVILA
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA
FACULTAD DE INGENIERÍAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS
MAESTRÍA EN CIENCIAS AGROALIMENTARIAS
BERÁSTEGUI, 2020
EFECTO DE LA DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA Y ULTRASONIDO COMO
PRETRATAMIENTO EN EL SECADO DE BATATA MORADA (Ipomoea
batatas L.) EN UN SECADOR TIPO TÚNEL
ALBA LUZ DÍAZ ÁVILA
Tesis presentada como requisito parcial para optar al título de:
MAGÍSTER EN CIENCIAS AGROALIMENTARIAS
Director:
OMAR ANDRÉS PÉREZ SIERRA, I.Q, M.Sc. Ph.D.
Codirector (a)
FABIÁN ORTEGA QUINTANA, I.A, M.Sc. Ph.D.
Línea de Investigación:
TECNOLOGÍA Y DESARROLLO DE PROCESOS AMBIENTALMENTE
SOSTENIBLES
Grupo de Investigación:
GRUPO DE INVESTIGACIONES EN PROPIEDADES Y PROCESOS
ALIMENTARIOS (GIPPAL)
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Universidad de Córdoba
Facultad de ingenierías
Departamento de Ingeniería de Alimentos
Maestría en Ciencias Agroalimentarias
Responsabilidad de los autores
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NOTA DE ACEPTACIÓN
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Firma del Jurado
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Firma del Jurado
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(Dedicatoria o lema)
Si quieres triunfar en la vida, haz de la
perseverancia tu amigo del alma, de la
experiencia tu sabio consejero, de la
advertencia tu hermano mayor y de la
esperanza tu genio guardián.
- Joseph Adisson
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AGRADECIMIENTOS
En primer lugar deseo expresar mi agradecimiento al proyecto de Estrategias para la
Sostenibilidad de los Grupos de Investigación 2016 (Acuerdo 033 de 2016)
direccionado por el grupo de investigaciones en propiedades y procesos alimentarios
GIPPAL. A mi director de tesis el doctor Omar Andrés Pérez Sierra por su apoyo,
confianza y dirección para el desarrollo de este trabajo, a la coordinación de la
maestría doctora Mónica Simanca por su direccionamiento durante todo el proceso.
Por su apoyo y orientación a mis consultas y sugerencias recibidas, agradecimiento al
doctor Fabián Ortega Quintana y al magíster Everaldo Montes Montes.
Gracias al Ingeniero Teófilo Arteaga por su colaboración, paciencia, sugerencias y
enseñanza para el desarrollo técnico de esta investigación, y agradecimiento a la
ingeniera Ana María Hernández Arteaga por su asistencia, empeño, dedicación, ayuda,
consejos, como persona y como profesional, durante todo el proceso.
También, agradecimientos a esas personas que significan un apoyo vital, sin las cuales
no tendría las fuerzas y energías que me animan a crecer, primordialmente a mi
madre, incansable y de la que he recibido todo el apoyo, económico, espiritual,
afectuoso, para llegar hasta aquí, mi padre por ser mi referente profesional y mis
hermanos por su grata compañía y amor.
Gracias a mi esposo y mis hijos por su paciencia, comprensión y solidaridad con este
propósito, sin su apoyo, este proyecto nunca se habría escrito y, por eso, este trabajo
es también el suyo.
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TABLA DE CONTENIDO
LISTA DE TABLAS ............................................................................................................ 9
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................ 10
LISTA DE ANEXOS ......................................................................................................... 11
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS .................................................................... 12
El Secado convectivo es uno de los métodos más antiguos de conservación de
alimentos, es efectuado en condiciones naturales, usando el sol como fuente de
energía, este es denominado, secado solar, sin embargo, esta técnica consume mucho
tiempo (aproximadamente 56 h), dejando un producto de calidad inferior con alta
contaminación microbiana debido al largo tiempo de exposición al ambiente (Islam et
al., 2019). El secado con aire caliente en secadores, tipo túnel, bandejas, por
pulverización u otro diseño, tiene varias ventajas entre otras, su amplio uso en la
industria alimentaria por ser fácil de operar y un relativo bajo costo, no obstante, el
secado por aire caliente es considerado como un método altamente destructivo, en
particular para materiales térmicamente sensibles como las frutas y hortalizas (Li et al.,
2019). En el secado convectivo la mayor humedad es eliminada durante las primeras
horas de proceso, por lo tanto, para el uso de esta técnica, es importante la selección
apropiada de las condiciones de secado y de los parámetros y/o agentes de secado
(temperatura, humedad, velocidad), así como una dosis de calor racional. Todos estos
factores afectan esencialmente la calidad final de los productos biológicos (Lisboa et
al., 2018). Los problemas más importantes, relacionados con la calidad del alimento,
que resultan de este tipo de procesos son los daños debido a las tensiones de secado
inducido, la contracción fuerte del alimento (encogimiento), así como los cambios de
color, sabor y degradación de vitaminas (Clifford et al., 2015; Kowalski & Szadzińska,
2014) .
El secado de alimentos, tales como las raíces tuberosas de batata en secadores
convencionales, es dependiente de temperaturas y velocidades de secado, sin
embargo, es conocido que este tratamiento para conservación de alimentos destruye la
integridad de este y permite la eliminación de sustancias nutritivas que están dentro del
alimento, y se hace necesario hacer la elección adecuada de los parámetros de secado
en cuanto a humedad, temperatura y velocidad del aire para obtener un producto final
que no haya perdido su propiedades principales y que conserve sus características
organolépticas (Kowalski & Szadzińska, 2014).
2. Revisión de Literatura 20
Experimentos de secado en cubos de batata se llevaron a cabo para conocer los
efectos de las condiciones de secado en el comportamiento de este tubérculo, la
temperatura empleada para este caso osciló entre 50°C y 90°C y velocidades del aire
entre 1,5 m/s y 5,5 m/s, es decir, temperaturas relativamente altas que pueden causar
el deterioro en la calidad del alimento. Se encontró que al aumentar la temperatura y la
velocidad del aire de secado se da la mayor reducción de humedad de hasta el 6%. Se
ajustaron varios modelos, para determinar la velocidad de secado donde el que mejor
ajustó fue la ecuación de Henderson-Pabis para describir este proceso (Ver Tabla 1).
Aplicar temperaturas mayores a 50°C y velocidades aproximadas de entre 1 y 5,5 m/s
son necesarios en el secado convencional para deshidratar en un máximo de 6 a 7%
en tubérculos como la batata (Joykumar Singh & Pandey, 2012)
El proceso de secado requiere de temperaturas relativamente altas para alcanzar las
condiciones deseadas, haciendo que el alimento sufra de alguna manera deterioro en
su calidad, surgiendo la necesidad de entender y controlar el proceso en sus
parámetros más importantes, de tal manera que disminuya las pérdidas de nutrientes,
color, olor favorables u otro factor que muestre alteraciones en sus propiedades
(Abdan et al., 2018; Li et al., 2019)
Tabla 2. Modelos para ajuste de cinética de secado
Nombre Modelo
Newton-Lewis 𝑀𝑅 = 𝑒𝑥𝑝(−𝑘1∗𝑡)
Henderson-Pabis 𝑀𝑅 = 𝑛1 ∗ 𝑒𝑥𝑝(−𝑘2∗𝑡)
Page 𝑀𝑅 = 𝑒𝑥𝑝(−𝑘3∗𝑡𝑛2)
Modified page 𝑀𝑅 = 𝑒𝑥𝑝((−(𝑘4∗𝑡))𝑛3)
Wang-Singh 𝑀𝑅 = 𝑘5 ∗ 𝑡2 + 𝑛4 ∗ 𝑡 + 1
Raíz del tiempo 𝑀𝑅 = 𝑛5 + 𝑘6 ∗ √𝑡
Raíz de MR 𝑀𝑅 = (𝑛6 + 𝑘7 ∗ 𝑡)2
Exponencial 𝑀𝑅 = 𝑒𝑥𝑝(𝑛7+𝑘8∗𝑡)
Dónde: t es el tiempo empleado; 𝑘1, 𝑘2, 𝑘3, 𝑘4, 𝑘5, 𝑘6, 𝑘7 y 𝑘8 son los parámetros
empíricos de comportamiento cinético (min-1); mientras que 𝑛1, 𝑛2, 𝑛3, 𝑛4, 𝑛5, 𝑛6 y
𝑛7 son parámetros característicos del producto. MR es la razón de humedad durante el secado. Fuente: Salcedo Mendoza et al., (2014)
2.2.1 Efectos del secado en los alimentos
Una de las principales alteraciones de la calidad de los alimentos deshidratados son
las modificaciones de textura sobre estos. El tipo de pretratamiento y la intensidad que
se aplica sobre el alimento a secar son operaciones que afectan la textura de las frutas
y verduras deshidratas (Bagheri et al., 2018). La textura se ve afectada por la pérdida
de la permeabilidad diferencial en la membrana protoplasmática, la pérdida de presión
de turgencia en las células, desnaturalización de la proteína y el almidón durante el
proceso (Moreno et al., 2012).
2. Revisión de Literatura 21
La deshidratación también cambia las superficies del alimento y por lo tanto, su color.
Los cambios químicos experimentados por los pigmentos derivados (caroteno y
clorofila) están producidos por el calor y por la oxidación que tiene lugar durante el
secado. En general, cuanto más largo es el proceso de secado y más elevada la
temperatura, mayores son las pérdidas de estos pigmentos. Esto se vio reflejado en un
estudio realizado sobre la influencia de las condiciones de secado en el color de fresas
Chandler, en el que se sometieron estas frutas a hornos de distintas temperaturas, se
observaron cambios en los valores a*, b* y L*. La fruta fresca presentó valores
positivos en cuanto a la coordenada a*, confirmando el color rojo característico de la
fresa, mientras que presentó valores negativos en el secado a las condiciones de los
hornos 1 y 2 (45°C y 50°C respectivamente), lo que representó el cambio de color, con
tendencia a modificarse más en el secado del horno 2. Por último, en el parámetro b*
las fresas deshidratadas fueron iguales entre ellas y diferentes con la fruta fresca,
mostrando así la pérdida de los pigmentos propios de la fruta (Ruiz et al., 2015).
El calor aplicado sobre el alimento también afecta la pérdida de algunos componentes
volátiles de este. La intensidad dependerá de la temperatura y de la concentración de
sólidos en el alimento, así como de la presión de vapor de las sustancias volátiles y su
solubilidad en el vapor de agua. Aquellas sustancias volátiles de difusividad y
volatilidad relativamente elevadas son las que primero se pierden y son pocos los
componentes volátiles que se pierden en fases posteriores (Montes et al., 2011).
Un adecuado control de las condiciones de secado en las primeras fases del proceso
permite reducir al mínimo las pérdidas, por lo que se deben conocer los principios
fundamentales del secado (Montes et al., 2011).
2.2.2 Definiciones fundamentales de secado
Algunas de las definiciones que permiten entender el proceso de secado son la
humedad del sólido y su representación en base seca y base húmeda, así como
también la humedad de equilibrio y la humedad libre (Montes et al., 2011)
2.2.2.1 Contenido de humedad en base seca (𝑿𝒃𝒔)
La humedad del sólido en base seca, es el contenido de humedad que tiene el sólido
en la masa totalmente seca, y es calculada a través de la Ecuación 1 (Montes et al.,
2011)
𝑋𝑏𝑠 =𝐾𝑔 𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑
𝐾𝑔 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑆𝑒𝑐𝑜 Ecuación 1
2. Revisión de Literatura 22
2.2.2.2 Contenido de humedad en base húmeda (𝑿𝒃𝒉)
Es el contenido de humedad que tiene el sólido en la masa total y es calculada a través
de la ecuación 2 (Montes et al., 2011).
𝑋𝑏𝑠 =𝐾𝑔 𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑
𝐾𝑔 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜 𝐻ú𝑚𝑒𝑑𝑜=
𝐾𝑔 𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑
𝐾𝑔 ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑+𝐾𝑔 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 Ecuación 2
2.2.2.3 Humedad de equilibrio (𝑿∗)
Es la humedad del sólido cuando su presión de vapor se iguala a la presión de vapor
del gas. Es decir, humedad del sólido cuando está en equilibrio con el gas (Montes et
al., 2011).
2.2.2.4 Humedad libre (𝑿 − 𝑿∗)
Es la humedad del sólido, es decir, que es la humedad que está en exceso con
relación a la humedad de equilibrio. Ésta humedad es la que se puede evaporar y
depende de la concentración de vapor en la corriente gaseosa (Montes et al., 2011).
2.2.3 Mecanismos y cinética de secado
En el proceso de secado es importante tener en cuenta el estudio de la intensidad de la
trasferencia de masa en el mismo. Esta depende de varios factores como las
condiciones internas del alimento y las externas en el proceso. De estas últimas, los
principales parámetros que afectan el proceso de secado son la temperatura, la
velocidad y la humedad relativa del aire de secado (Tzempelikos et al., 2014). Además,
las condiciones externas están dadas por la resistencia que tiene la capa límite del gas
a la transferencia de calor y de masa, por lo tanto si esta condición es la predominante,
el secado no va a depender de las características del sólido sino de las condiciones del
aire o del gas, y estará controlado por la transferencia de masa y calor entre el gas y la
superficie del sólido, empleándose en la evaporación todo el calor que se recibe del
gas, que se comporta como una superficie libre de agua (Alzate, 2003)
Cuando se seca un alimento se producen dos procesos fundamentales y simultáneos:
transmisión del calor para evaporar el líquido del alimento y transferencia de masa en
humedad interna de este y líquido evaporado. Independientemente del mecanismo de
transmisión de calor, este tiene que pasar primero a la superficie exterior y desde esta
al interior del alimento (Ibarz & Barbosa, 2005).
Las condiciones internas en el proceso están definidas, por la transferencia de calor y
de masa a través del sólido. En el caso que predominen, es decir, que la resistencia a
la transferencia de masa a través del material sea muy superior a la de la capa límite
2. Revisión de Literatura 23
del gas, la difusión interna será quien controle, siendo las propiedades del sólido, lo
más importante en el proceso (Alzate, 2003)
2.2.4 Movimiento de humedad dentro del sólido
Cuando se produce la evaporación en la superficie del alimento, debe haber un
movimiento de humedad desde las profundidades de este hacia la superficie. La
naturaleza del movimiento influye en el secado total de alimento (Mujumdar, 2014)
Este movimiento depende de varios aspectos de la matriz alimenticia como su
porosidad. Los materiales porosos comprenden una red heterogénea de microcanales
interconectados que facilitan la difusión de humedad.
Algunas de las teorías que se adelantaron para explicar el movimiento de la humedad y
la relación de ésta con las curvas de régimen son:
Difusión líquida: Se puede producir la difusión de la humedad líquida debido a los
gradientes de concentración entre las profundidades del sólido, donde la concentración
es alta, y la superficie del sólido, donde ésta es baja (Treybal, 2013).
Movimiento capilar: La humedad en sólidos granulares y porosos tales como arcillas,
pigmentos de pinturas y otros semejantes, se traslada a través de capilares e
intersticios de los sólidos mediante un mecanismo que implica tensión superficial. Los
capilares se extienden desde pequeños receptáculos de humedad dentro del sólido
hasta la superficie de secado. A medida que se lleva a cabo el secado, al principio la
humedad se traslada por capilaridad hacia la superficie con suficiente rapidez, siendo
constante el régimen de secado (Treybal, 2013)
Difusión de vapor: Especialmente si se suministra calor a una superficie de un sólido
mientras en otra el secado continúa, se puede evaporar la humedad debajo de la
superficie, difundiéndola hacia afuera como vapor. También se puede evaporar debajo
de la superficie, las partículas de humedad existentes en sólidos granulares en forma
aislada de la porción mayor de humedad que fluye a través de los capilares (Treybal,
2013).
Presión: Durante el secado debido a la concentración de las capas externas de un
sólido, se puede forzar a salir la humedad hacia la superficie (Treybal, 2013).
La cinética de secado de un material es la dependencia del contenido de humedad del
material y de la intensidad de evaporación con el tiempo o variables relacionadas con
este, como la propia humedad o las dimensiones del equipo. La intensidad de
evaporación se determina a través de la velocidad de secado, que es el cambio de
humedad (base seca) en el tiempo (Treybal, 2013).
A partir de las curvas de cinética de secado (x Vs t, dx/dt Vs x), puede tenerse una idea
del tiempo de secado, del consumo de energía, del mecanismo de migración de
2. Revisión de Literatura 24
humedad, de las condiciones predominantes en la transferencia de calor y masa, y de
la influencia que tienen en la velocidad de secado las variables del proceso tales como:
temperatura, humedad de entrada, velocidad del aire, etc. (Treybal, 2013).
Con los datos obtenidos durante la prueba de secado, es decir, de la variación de la
humedad base seca con el tiempo, puede hacerse un gráfico de contenido de
humedad en función del tiempo (por ejemplo: Figura 1. En secado de camarón y Figura
2. Secado de yuca). Este será útil para la determinación directa del tiempo necesario
en el secado discontinuo de grandes partidas bajo las mismas condiciones de secado
(Mujumdar, 2014).
Figura 1. Curva de secado de camarón a una misma temperatura y dos velocidades de aire. Fuente: Roberti, (2011)
Figura 2. Humedad en base seca (x) en función del tiempo (h) de yuca, para velocidades de aire de 2 m/s a diferentes temperaturas. Fuente: Salcedo Mendoza et al., (2014)
2. Revisión de Literatura 25
2.2.5 Curvas de régimen de secado
Cuando se convierten los datos a régimen de secado expresándolos como N (lb de
humedad evaporada/h x pie2), y se lleva a un gráfico en función del contenido de
humedad, se puede ver claramente los períodos en los que la velocidad es constante y
cuando decrece. Se puede hacer esto midiendo las pendientes a las tangentes
trazadas a la curva de humedad contra tiempo, o por medio de la determinación en
base a la curva de pequeños cambios (∆x) en el contenido de humedad para los
correspondientes cambios en el tiempo (∆t) y calculando el régimen de secado como:
𝑁 = 𝐿𝑠 . ∆𝑥𝐴 . ∆t⁄ Donde Ls es el peso del sólido seco y A es la superficie húmeda
sobre la que sopla el gas y a través de la cual se lleva a cabo la evaporación (Ruíz y
Rodríguez 2011).
En un estudio de obtención de harina de batata morada el proceso de secado de esta
se realizó en un secador tipo bandejas, antes de su molienda, a una temperatura de
aire de 50°C. Se determinó el tiempo de secado y se realizó la gráfica de humedad y
velocidad de secado (Figura 3). En esta se aprecia los dos períodos antes
mencionados, y se encontró en el estudio que el tiempo aproximado de secado fue de
6 horas. Lo que permite deducir que se pueden obtener curvas en régimen de secado
teniendo en cuenta variables como: humedad inicial, peso durante el proceso y tiempo
para determinar velocidades de secado y poder realizarlas en el régimen de secado.
También se observa que es amplio el tiempo que emplea el secado convencional para
secar un alimento como la batata que presenta altos contenidos de humedad y que
requiere también emplear altas temperaturas que causan el deterioro de las cualidades
y características de esta. (Ruíz y Rodríguez 2011)
Figura 3. Curva de velocidad de secado vs humedad en batata. Fuente: Ruíz & Rodríguez, (2011)
2. Revisión de Literatura 26
Teniendo en cuenta los largos tiempos de procesamiento en el secado y los problemas
de calidad resultantes en el alimento, crece el interés por combinar varios métodos que
reduzcan los tiempos de exposición y permitan mantener la integridad y calidad del
alimento, así como también mejorar sus cualidades, siendo la deshidratación osmótica
una técnica de pre-secado para la eliminación de agua, logrando mejorar las
propiedades nutricionales, sensoriales y funcionales de los alimentos sin cambiar su
integridad y reduciendo los tiempo necesarios de exposición empleados en el secado
convencional.
2.2.6 Deshidratación osmótica
La deshidratación osmótica (DO) es un proceso que permite la eliminación parcial de
agua por contacto directo de un producto con un medio hipertónico, lo que lleva a dos
grandes flujos simultáneamente: flujo de agua desde el producto a la solución
circundante y solutos que fluyen al interior del producto. Cuya fuerza impulsora es la
diferencia de concentraciones entre la solución osmótica y el fluido intersticial. La fuga
de los solutos de los productos (azúcares, ácidos orgánicos, minerales, etc.) es
cuantitativamente insignificante, pero puede ser importante para los valores
organolépticos y nutricionales del alimento (Kaushal & Sharma, 2016). Sin embargo, al
ser este proceso de transferencia de masa de dos vías, se pueden introducir las
sustancias nutricionales deseadas en el material vegetal a través de la solución
(Ciurzyńska et al., 2016).
La pérdida de humedad del producto se lleva a cabo más rápido durante las primeras
horas y luego la tasa disminuye en horas posteriores y al final permanece constante,
esto es debido a que la eliminación de esta humedad se produce por dos procesos;
flujo capilar y difusión. La pérdida de soluto se da sólo por difusión, siendo esta
insignificante en la fase inicial del tratamiento osmótico. Pero a medida que la tasa de
extracción de agua disminuye, aumenta la tasa de soluto en el alimento (Ahmed et al.,
2016).
La eficiencia del proceso de deshidratación osmótica está influenciada por varios
factores, incluido el peso molecular y el tipo de sustancia osmótica, así como su
concentración y la temperatura, la dinámica del proceso, la relación de producto a la
solución, estructura de los alimentos, la forma y el tamaño de la materia prima, y la
presión a la que se lleva a cabo el proceso (Sulistyawati et al., 2018).
Las principales variables que se evalúan en DO de frutas son: temperatura que para
algunas frutas ésta variable está en el proceso de 20 a 70°C, la concentración de la
solución osmótica entre 35 y 70°Brix, la relación de la solución osmótica (1: 1 a 1:13 g:
g) y el tiempo de proceso de 30 min a 24 horas (Arballo et al., 2012). En la
deshidratación de batata el aumento de la concentración de la solución osmótica y de
la temperatura favorece la pérdida de agua. A una temperatura de 50°C y
2. Revisión de Literatura 27
concentración de 70% se da la mayor pérdida de agua de hasta un 34% (Genina-Soto
& Altamirano-Morales, 2005).
Este proceso de DO es lento debido a que el alimento debe permanecer largo tiempo
sumergido en la solución osmótica para liberar la mayor cantidad de agua posible, lo
que resulta en demoras en el proceso total de secado. Es necesario complementar el
proceso de deshidratación osmótica usando otras técnicas de conservación, por esto
es muy usual encontrarlo en combinación con otros procesos de secado ya que
permite disminuir el tiempo y el consumo de energía. El ultrasonido es una técnica
alternativa en el secado de alimentos que puede ser empleado en la deshidratación
osmótica para aumentar la velocidad de transferencia de masa al aumentar la
difusividad efectiva del agua (Kowalski & Szadzińska, 2014).
2.2.7 Ultrasonido y deshidratación osmótica
En el proceso de ultrasonido se producen ondas mecánicas, es decir no ionizantes,
cuya frecuencia está por encima del umbral de audición del oído humano
(aproximadamente 20 000 Hz). Es utilizado principalmente, para la disminución de la
concentración de microorganismos y la inhibición de la actividad enzimática, sin alterar
las propiedades físicas, químicas y nutricionales de los alimentos. Dependiendo de los
rangos de frecuencias utilizados, el ultrasonido se puede dividir en dos tipos:
ultrasonido de baja intensidad y ultrasonido de alta intensidad (Delgado, 2015).
El ultrasonido de alta intensidad maneja longitudes de onda de 18-100kHz y es
utilizado en el procesamiento o estabilización de alimentos (Delgado, 2015).
En alimentos, el efecto de la aplicación de ultrasonidos causa una rápida compresión y
expansión alternada causando el llamado efecto esponja, que se refiere a la forma en
cómo se comprime y se libera rápidamente, es así como se forman canales
microscópicos en materiales porosos como las frutas. Al formarse estos conductos y al
disminuir la capa límite de difusión, la transferencia de masa que se da durante el
proceso de deshidratación osmótica se logra más rápidamente, además de producirse
cavitación a través de esta técnica, que permite eliminar la humedad que está adherida
firmemente al alimento (Bozkir et al., 2019).
El ultrasonido es una tecnología ecológica eficaz que mejora la velocidad de varios
procesos alimentarios y su eficiencia. En el secado, la aplicación de US provoca la
intensificación de la transferencia de masa, un menor tiempo de procesamiento,
propiedades organolépticas mejoradas y mayor velocidad de secado debido a una
menor resistencia. (Bhargava et al., 2021)
El secado asistido con ultrasonido ha sido un tema de interés por muchos años. Los
métodos tradicionales para la deshidratación de alimentos por una corriente forzada de
aire caliente son bastante económicos, pero la eliminación de la humedad interior toma
2. Revisión de Literatura 28
un tiempo relativamente largo y causa deterioro en la calidad del alimento (Delgado,
2015).
La deshidratación asistida por ultrasonido en melón y piña se llevaron a cabo con una
frecuencia de 25KHz y una intensidad de 4,870 W/m2 con tiempo de exposición al
ultrasonido de 10, 20 y 30 minutos para melón y sólo 20 y 30 minutos para piña, se
logró cuantificar la cantidad de azúcar que la fruta pierde, por la transferencia de masa,
al medio líquido. Alcanzándose pérdidas de agua de 7,7% y 3,1 % y aumento de
solutos de 52,2% y 23,1 % en melón y piña respectivamente. Lo que indica que el
ultrasonido por sí solo es eficiente para la eliminación parcial de agua del alimento, sin
embargo la combinación de esta técnica con la DO hace más eficiente el proceso
(Fernandes et al., 2008, 2009).
Así mismo se observó la formación de canales microscópicos en las células de las
frutas producto de la cavitación formada por el proceso de ultrasonido, manifestándose
también en el aumento de la transferencia de masa de agua hacia el exterior y la
entrada de solutos con mayor rapidez (Fernandes et al., 2008, 2009).
El ultrasonido aplicado a la deshidratación osmótica se ven reflejados en una mayor
pérdida de agua y altas tasas de ganancia de soluto. Debido a las bajas temperaturas
durante la deshidratación y los tiempos de tratamiento más cortos, se mantienen
inalteradas cualidades de los alimentos, tales como sabor, color y valor nutritivo, y al
tener menor cantidad de agua se alarga de esta manera la vida útil del producto
(Nowacka et al., 2017).
2.2.8 Color
El color es importante como una característica de valoración física y como criterio de
calidad en los alimentos, el cual es afectado por distintos factores, como la iluminación,
el observador, el espectro, la presencia de pigmentos o las propias características de la
superficie como el tamaño y la textura. Los cambios de color medidos se usa para
predecir cambios químicos y de calidad en un alimento. Los parámetros de color han
demostrado, previamente, ser valiosos para describir el deterioro visual del color y
proporcionar información útil para el control de calidad en frutas y productos de frutas.
Con esta necesidad de conocer valores exactos en la determinación del color en los
alimentos han surgido sistemas y métodos que permiten lograr estos requisitos (Salehi
& Kashaninejad, 2018).
La Comisión Internacional sobre la Iluminación (CIE) ha desarrollado los sistemas más
importantes y más utilizados en la actualidad para la descripción y medición del color,
los cuales se basan en la utilización de fuentes de iluminación y observadores
estándares. Los sistemas CIE usan tres coordenadas para ubicar un color en un
espacio de color. Estos espacios de color incluyen CIE XYZ, CIE L*a*b* y (3) CIE
L*C*h°. (Mathias-Rettig & Ah-Hen, 2014).
2. Revisión de Literatura 29
El procedimiento para la evaluación del color se basa en la determinación de los
valores Hunter L * a * b *. Los valores L * se utilizan como un indicador de brillo, a *
para indicar la cromaticidad en un eje verde (-) a rojo (+); y b * para indicar la
cromaticidad en un eje azul (-) a amarillo (+). La diferencia de color entre dos muestras
(ΔE) viene determinada por la ecuación 3 (Mathias-Rettig & Ah-Hen, 2014):
∆𝐸 = √(∆𝐿∗)2 + (∆𝑎∗)2 + (∆𝑏∗)2 Ecuación 3
2.3 Análisis sensorial
La calidad de un alimento está determinada por diferentes aspectos: cantidad y calidad
de los nutrientes que lo contienen y la calidad y seguridad sanitaria. Sin embargo lo
que determinará la aceptación o rechazo del mismo está relacionado con la percepción
subjetiva del consumidor, por tanto es importante tener en cuenta aspectos
sensoriales, como el color, olor, textura, sabor, consistencia, presentación (de Kock &
Magano, 2020).
Para conocer estos aspectos, es necesario el estudio de los productos alimenticios
desde la perspectiva del consumidor, para lo cual existen tipos de pruebas sensoriales
que permiten definir la aceptación, según el objetivo o aspecto que queremos evaluar
en el alimento (Santos et al., 2014). Existen tres tipos de pruebas sensoriales que se
aplican: discriminatorias, descriptivas y afectivas.
Las pruebas discriminatorias permiten determinar si dos productos alimenticios
presentan diferencias según la percepción del consumidor. Las descriptivas determinan
la naturaleza de esas diferencias sensoriales y las pruebas afectivas determinan la
aceptabilidad de consumo de un producto.
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3. OBJETIVOS
3.1 Objetivo general
Evaluar el efecto del ultrasonido y deshidratación osmótica como pretratamiento en el
secado de batata morada (Ipomoea batatas L.) sobre la transferencia de masa, color y
características sensoriales.
3.2 Objetivos específicos
Evaluar los cambios de la humedad y sólidos solubles de la batata en la
deshidratación osmótica a concentraciones de sacarosa de 50 y 60°Brix, con y
sin aplicación de ultrasonido.
Determinar el comportamiento cinético de la batata en el secado en túnel con y
sin pretratamientos de deshidratación osmótica y ultrasonido.
Identificar los parámetros del modelo matemático de Fick de la transferencia de
masa por difusión.
Evaluar los cambios de color de la batata antes y después del secado en túnel.
Evaluar la preferencia y aceptación del producto final por el consumidor.
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Facultad de ingenierías
Departamento de Ingeniería de Alimentos
Maestría en Ciencias Agroalimentarias
4 MATERIALES Y MÉTODOS
Esta investigación se desarrolló en la Universidad de Córdoba sede Berástegui, cuya
humedad relativa y temperatura promedio se encuentran en 90% y 31°C,
respectivamente.
4.1 Adecuación de la materia prima
La batata morada fue obtenida en el mercado local de Montería (Córdoba –Colombia).
Esta se seleccionó teniendo en cuenta la apariencia externa, como firmeza y color de
la piel, y almacenadas en refrigerador a 13°C aproximadamente, para su posterior
procesamiento, donde se adecuó eliminando las partes indeseables, realizando el
pelado con cuchillo de acero inoxidable y cortando manualmente en forma de láminas
de 4cmx4cmx1,5mm. En estas condiciones la batata se sometió a procesos de
deshidratación osmótica y secado en túnel, como se indica a continuación en las
secciones 4.3 y 4.4.
4.2 Determinación de las características fisicoquímicas de la batata
Las características fisicoquímicas que se determinaron a la materia prima fueron:
4.2.1 Sólidos solubles (°Brix)
Se analizó mediante refractómetro Quick Brix 60 Mettler Toledo portátil, por triplicado,
según método 932.12 de la (AOAC, 1990)
4.2.2 Humedad
Se determinó por el método gravimétrico en estufa a 105°C, según Método AOAC
931.04 y se realizó por triplicado. El contenido de humedad en base húmeda (𝐻𝑏ℎ) se
obtuvo mediante la ecuación 4: (AOAC, 1931)
%𝐻𝑏ℎ =𝑚ℎ−𝑚𝑠
𝑚ℎ𝑥100 Ecuación 4
Donde:
𝑚ℎ es la masa de la muestra de batata húmeda
𝑚𝑠 es la masa de la muestra seca
3. Materiales y Métodos 32
4.2.3 Color
Los parámetros de color se determinaron mediante colorímetro Colorflex EZ 45
(HunterLab®), realizado por triplicado, encontrando los valores L* (claridad), a*
(cromaticidad en un eje verde a rojo); y b* (cromaticidad en un eje azul a amarillo).
4.3 Pretratamientos: Deshidratación Osmótica y Ultrasonido
Láminas de batata de 4cm x 4cm x 1,5mm se pesaron e introdujeron en solución
osmótica de sacarosa a concentraciones de 50 y 60°Brix con agitación de 120 rpm,
hasta obtener peso constante. La proporción de solución osmótica / batata dulce fue de
20:1.
Durante el proceso de deshidratación se realizó medida de humedad según método
AOAC 931.04, sólidos solubles según AOAC 932.12 y peso de la muestra cada 3
minutos.
Después del tiempo de deshidratación, las láminas se retiraron y el exceso de agua
superficial se eliminó en un tamiz durante 5 minutos y se pesaron nuevamente.
A partir de estas medidas se determinó la pérdida de peso, según la Ecuación 5:
∆𝑝𝑒𝑠𝑜=𝑊1−𝑊2
𝑊1 𝑥 100 Ecuación 5
Donde W representa el peso y los números 1 y 2 antes y después de la
osmodeshidratación, respectivamente.
Además se calculó la ganancia de sólidos solubles ∆𝑆𝑆:(g/100g) mediante la Ecuación
6:
∆𝑆𝑆=𝑆𝑆2−𝑆𝑆1
𝑊1𝑥 100 Ecuación 6
Donde SS1 y SS2 son las medidas de sólidos solubles antes y después de la
osmodeshidratación.
Por otro lado, muestras de batata se sometieron al proceso de deshidratación osmótica
más Ultrasonido en el equipo Unique, Modelo USC – 1450 a frecuencia y potencia de
45KHz y 150W, respectivamente, con el fin de determinar la influencia de la aplicación
de US en el proceso de eliminación de humedad en la DO.
Al final de cada tratamiento a las muestras se les realizó medición de color.
El diseño experimental empleado, en los pretratamientos, fue un Diseño
Completamente al Azar (DCA) con arreglo factorial 22 con tres repeticiones. Los
factores experimentales evaluados fueron la concentración de la solución osmótica y la
aplicación de Ultrasonido. Este diseño fue elaborado mediante el asistente de diseños
3. Materiales y Métodos 33
del programa Statgraphics Centurion XVI.I Versión 16.1.15 evaluado en período de
prueba, el cual se observa en la Tabla 3.
Tabla 3. Diseño experimental para el proceso de deshidratación osmótica con y sin ultrasonido
REPETICIONES Concentración (°Brix) Ultrasonido
1 50 Si
1 50 No
1 60 No
1 60 Si
2 50 Si
2 50 No
2 60 No
2 60 Si
3 50 Si
3 50 No
3 60 No
3 60 Si
El tratamiento que permitió la mayor pérdida de humedad en el menor tiempo y que
conservó las mejores propiedades de la batata (color) fue escogido para ser secado
en túnel. El análisis estadístico de los datos de humedad y sólidos solubles obtenidos,
se realizó mediante prueba de normalidad de Shapiro Wilk y análisis de varianza.
Para los datos de color obtenidos en la DO, con y sin aplicación de US, se realizó
análisis de varianza para conocer si había o no diferencias estadísticamente
significativas, así como la prueba de múltiples rangos para estimar el grado de la
diferencia.
4.4 Secado de batata en túnel
El secador utilizado fue de tipo túnel marca ISI, cuya potencia de motor es 0,5HP y
ventilador de 12,7 cm de diámetro, el cual contó con un termopar en el interior de la
cámara de secado, que registra la temperatura de bulbo seco del aire (Anexo 25). Se
establecieron las condiciones de operación del secador, una vez alcanzadas las
condiciones establecidas y el estado estable de las variables dentro de éste, se
procedió a ubicar el soporte de acero inoxidable. Muestras de batata en forma de
láminas de 4cm x 4cm x 1,5 mm sin tratamiento, fueron colocadas en el secador,
monitoreando el proceso de secado mediante el pesaje de la muestra registrando estos
valores en intervalos de tiempo de 3 minutos inicialmente, luego 5 y por último cada 10
minutos, hasta obtener un peso constante. Se varió la corriente de aire que pasó a
través del alimento a velocidades de 1 y 2 m/s, así como la temperatura del aire de
secado en 50, 60 y 70°C. Se realizaron tres repeticiones para cada tratamiento.
3. Materiales y Métodos 34
De la misma manera se realizó el procedimiento de secado en túnel al pretratamiento
escogido bajo condiciones de DO y US que presentó las mejores respuestas de color y
humedad.
El diseño experimental empleado, para secado en túnel, fue un DCA con arreglo
factorial 3x2 con tres repeticiones, los factores experimentales fueron la temperatura
(50°C, 60°C y 70°C), y la velocidad del aire (1 m/s y 2m/s). Este fue elaborado
mediante el asistente de diseños del programa Statgraphics Centurion XVI.I Versión
16.1.15 evaluado en período de prueba, el cual se observa en la Tabla 4.
Tabla 4. Diseño experimental para el desarrollo de secado de batata en túnel.
REPETICIONES Temperatura (°C) Velocidad (m/s)
1 50 1
1 50 2
1 60 2
1 60 1
1 70 1
1 70 2
2 50 1
2 50 2
2 60 2
2 60 1
2 70 1
2 70 2
3 50 1
3 50 2
3 60 2
3 60 1
3 70 1
3 70 2
La humedad fue calculada en el proceso de secado en cada intervalo de tiempo como
la relación adimensional (XR), que es la razón directa entre la masa de agua presente
en el material y la masa de la materia seca, según la ecuación 7.
𝑋𝑅 =𝑋(𝑡)−𝑋∞
𝑋𝑜−𝑋∞ Ecuación 7
Donde 𝑋∞ es la humedad en el equilibrio, 𝑋𝑜 es la humedad inicial, 𝑋(𝑡) es la humedad
en el tiempo. Todos los valores de humedad se expresaron en base seca.
3. Materiales y Métodos 35
Para los datos de color obtenidos en el secado de batata con y sin pretratamiento se
realizó análisis de varianza para conocer si hay o no diferencias estadísticamente
significativas, así como la prueba de múltiples rangos para estimar el grado de la
diferencia.
4.5 Modelo matemático
Los parámetros de cinética de secado se determinaron mediante la segunda ecuación
de difusión de Fick (ecuación 8).
𝜕2𝑋
𝜕𝑥2 =1
𝐷𝑒𝑓𝑓
𝜕𝑋
𝜕𝑡, 0 ≤ 𝑥 ≤ 𝐿 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡 > 0 Ecuación 8
considerando geometría de lámina infinita, distribución de humedad inicial uniforme y
condición de frontera que se presentan en la ecuación 9 y ecuación 10 (Serna-cock y
Ayala-aponte 2015).
𝜕𝑋(0,𝑡)
𝜕𝑥= 0 Ecuación 9
−𝐷𝑒𝑓𝑓 ∗𝜕𝑋(𝐿,𝑡)
𝜕𝑥= ℎ𝑚[𝑋(𝐿, 𝑡) − 𝑋∞] Ecuación 10
Así mismo se considera condición inicial según ecuación 11.
𝑋(𝑥, 0) = 𝑋0 Ecuación 11
Donde Deff es la difusividad efectiva de la humedad, 𝐿 es la mitad del espesor de la
placa, hm es el coeficiente convectivo de transferencia de masa, 𝑋(𝑥, 0) es la
concentración de agua (g agua/ g de sólido) en el centro en un cierto tiempo, X(L, t) es
la concentración de agua (g agua/ g de sólido) en la superficie en un cierto tiempo, 𝑋0
es la concentración de agua (g agua/ g de sólido) inicial en el sólido, y X∞ es la
concentración de agua (g agua/ g de sólido) en el equilibrio.
La solución de la ley de Fick con las condiciones de frontera se muestra en la Ecuación
12.
(𝑋(𝑥,𝑡)−𝑋∞)
(𝑋0−𝑋∞)= ∑
2 𝑠𝑖𝑛 𝜇𝑛
𝜇𝑛+𝑠𝑖𝑛 𝜇𝑛 𝑐𝑜𝑠 𝜇𝑛
∞𝑛=1 𝑐𝑜𝑠(𝜇𝑛𝑙
𝑥) 𝑒𝑥𝑝 (−𝜇𝑛
2 𝐷𝑒𝑓𝑓∗𝑡
𝐿2 ) Ecuación 12
Tomando el primer término de la Ecuación 12 (para 𝐷𝑒𝑓𝑓∗𝑡
𝐿2 > 0.2) e integrando con
respecto al volumen (1
𝑣∫ 𝑋(𝑥,𝑡)𝑑𝑉
𝑣
0) se obtiene la Ecuación 13. El modelo resultante es
utilizado para estimar concentración media de la humedad en la muestra, donde L es el
espesor de la muestra.
(�̅�(𝑡)−𝑋∞)
(𝑋0−𝑋∞)=
2 𝑠𝑖𝑛 𝜇1
𝜇1[𝜇1+𝑠𝑖𝑛 𝜇1 𝑐𝑜𝑠 𝜇1]𝑒𝑥𝑝 (−𝜇1
2 𝐷𝑒𝑓𝑓∗𝑡
𝐿2 ) Ecuación 13
Donde, �̅�(𝑡) es la concentración promedio (g agua/g sólido) en un cierto tiempo.
3. Materiales y Métodos 36
La solución analítica de la ley de Fick se expresa en función del parámetro 𝜇1. Este
parámetro satisface la relación expresada en la Ecuación 14.
𝜇1 𝑡𝑎𝑛 𝜇1 =ℎ𝑚 𝐿
𝐷𝑒𝑓𝑓 Ecuación 14
La obtención del parámetro μ1, en la Ecuación 14, fue realizada por regresión no lineal
utilizando Matlab 2011b. El ajuste del modelo matemático a los datos experimentales
arrojó los valores de la difusividad efectiva del agua en la batata (Deff).
4.6 Análisis sensorial
Este procedimiento se llevó a cabo en el laboratorio de análisis sensorial que está
ubicado en la planta piloto de la Universidad de Córdoba.
La batata pre-tratada que se escogió como el mejor producto después del proceso de
secado, se sometió a análisis sensorial, mediante la realización de una prueba de
preferencia y una de aceptabilidad o aceptación.
4.6.1 Prueba de preferencia - pareada
Para realizar esta prueba de preferencia se emplearon 50 panelistas que evaluaron
dos muestras de batata. La primera, no tuvo pretratamientos y solo fue sometida a
secado en túnel de secado, mientras que la segunda muestra fue aquella batata que
fue escogida al presentar las mejores condiciones después de aplicar pretratamientos
de OD y US.
Se explicó a los panelistas claramente la información contenida en el formato de
evaluación que se utilizaría en la prueba sensorial, luego fueron conducidos a las
cabinas para la realización del análisis. Posteriormente, se le presentaron las muestras
en estudio junto al formato de evaluación.
En el Anexo 1 se presentan los formatos de calificación de las muestras de batata sin
pretratamiento, y de batata pre-tratada. Los resultados del análisis sensorial se
tabularon y se realizó análisis estadístico para muestra pareada, usando distribución
binomial, con la cual se evaluó la muestra con mayor nivel de aceptabilidad, verificando
en la Tabla del Anexo 2 “Mínimo número de respuestas correctas para establecer
significancia a diferentes niveles de probabilidad” para una distribución binomial
(Domínguez Liria, 2007).
4.6.2 Prueba de aceptabilidad
Para esta prueba se emplearon 50 panelistas, quienes evaluaron las dos muestras de
batata, una sin tratamiento previo al secado, y una pre-tratada con osmodeshidratación
y ultrasonido.
3. Materiales y Métodos 37
En esta prueba se le pidió al panelista que valorara el grado de satisfacción que le
ocasionaba el producto presentado, utilizando una escala hedónica de nueve puntos
que se le propuso en el formato de evaluación. Esta escala va desde la categoría “me
disgusta extremadamente”, al que se le asigna el valor de 1, hasta “me gusta
extremadamente” al que se le asigna el valor de 9. El análisis estadístico de los datos
se realizó mediante medidas de tendencia central y t-test para definir diferencias,
también se construyeron los intervalos, o cotas, de confianza para cada media y para
la diferencia entre las medias.
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5 RESULTADOS Y DISCUSIONES
5.1 Caracterización fisicoquímica de la batata
En la Tabla 5 se muestran los valores de características fisicoquímicas de la batata
fresca.
Tabla 5. Propiedades fisicoquímicas en batata fresca
Parámetro
Humedad (%) 80,939 ±0,53
Sólidos Solubles (°Brix) 10,9 ±0,14
Color
L* 63,18 ±0,97 a* 28,54±1,53
b* 39,83±1,55
Los valores medidos del contenido de humedad de la batata fresca son muy altos,
mayores a 70%, esto debido a que la batata aún se encontraba en buen estado
conservando sus propiedades fisicoquímicas naturales, coincidiendo con lo encontrado
por García et al., (2016)y Santos et al. (2014a). Con respecto al contenido de sólidos
solubles, estos están en el orden de 10% coincidiendo con García et al., (2016) cuyos
valores estuvieron alrededor del 14,83%. En cuanto a los parámetros L* a* b* se
observa alta claridad, debido a que el parámetro L* presenta un valor de 63,18 ±0,97
(donde 0 es negro y 100 es blanco), un color más rojo que verde y más amarillo que
azul, debido a los valores positivos para los parámetros a*(eje rojo-verde) y b*(eje
amarillo-azul) (Mathias-Rettig & Ah-Hen, 2014).
5.2 Deshidratación osmótica y Ultrasonido
Los datos de humedad y sólidos solubles resultantes de la batata, teniendo en cuenta
los factores concentración de la solución y aplicación o no de ultrasonido fueron
tratados estadísticamente para su validación.
5.2.1 Validación estadística para la variable respuesta humedad
En el Anexo 3 se muestra la prueba de normalidad de Shapiro Wilk realizado para la
variable Humedad, con el fin de determinar si Humedad presentaba un comportamiento
con una distribución normal. La prueba está basada en la comparación de los cuartiles
de la distribución normal ajustada a los datos.
Debido a que el valor-P más pequeño de las pruebas realizadas es mayor o igual a 0,05, la humedad proviene de una distribución normal con nivel de confianza del 95%.
4. Resultados y discusiones 39
El análisis de varianza para humedad (Anexo 4) muestra que, con respecto a la
concentración de la solución, hay una diferencia estadísticamente significativa (valor
p<0,05). Existe una diferencia estadísticamente significativa entre la aplicación o no de
ultrasonido y la variable de respuesta humedad (valor p<0,05). La interacción
Concentración de la solución – Ultrasonido tiene efectos significativos sobre la variable
respuesta humedad (valor p<0,05).
En la Figura 4 se puede observar que el efecto más grande sobre la pérdida de
humedad es la concentración de la solución (A). El efecto para la interacción
Concentración de la solución -ultrasonido (AB) es el más pequeño, sin embargo, se
observa que tiene efectos significativos sobre la variable humedad.
Figura 4. Diagrama estandarizado para Humedad
5.2.2 Validación estadística para la variable respuesta Sólidos Solubles
de la batata
En el Anexo 5 Se muestra la prueba de normalidad de Shapiro Wilk realizada para la
variable Sólidos Solubles (SS) de la batata, con el fin de determinar si SS presentaba
un comportamiento con una distribución normal.
Debido a que el valor-P más pequeño de las pruebas realizadas es mayor o igual a
0,05, los valores de sólidos solubles en la batata provienen de una distribución normal
con 95% de confianza.
En el análisis de varianza para Sólidos Solubles en batata (Anexo 6), se observa que,
con respecto a la concentración de la solución, hay una diferencia estadísticamente
significativa, con un valor p <0,05. Existe una diferencia estadísticamente significativa
entre la aplicación o no de ultrasonido y la variable de respuesta Sólidos Solubles de la
batata (p<0,05). La interacción Concentración de la solución – Ultrasonido no tiene
efectos significativos sobre la variable respuesta sólidos solubles de la batata (p>0,05).
El diagrama de Pareto de la Figura 5 muestra los estimados en orden decreciente de
importancia, observando que el efecto más grande sobre la cantidad de sólidos
4. Resultados y discusiones 40
solubles en la batata es la concentración de la solución osmótica. La aplicación o no de
ultrasonido también resulta estadísticamente significativa para la variable respuesta
Sólidos Solubles de la batata, aunque el efecto es menor que la concentración de la
solución. La interacción de los dos efectos no resulta estadísticamente significativa
(valor p =0,0532, p>0,05).
Figura 5. Diagrama estandarizado para Sólidos Solubles en batata
5.2.3 Deshidratación Osmótica (DO)
Posterior al análisis estadístico de los resultados, se estudió el comportamiento en
cuanto a la pérdida de peso de la batata al aplicar los tratamientos del proceso de DO y
aplicación de US. La Figura 6 muestra los resultados.
La batata que fue sometida a ultrasonido y osmodeshidratación a 60% de
concentración de sacarosa, presentó la mayor pérdida de peso en el menor tiempo,
obteniendo al final del proceso el 67% de su peso inicial, es decir que perdió 33% de
su peso. Mientras que la batata que se encontró en solución de sacarosa a 50% de
concentración presentó una pérdida de peso de 23%, lográndolo en menor tiempo
cuando se encontraba bajo los efectos del ultrasonido. Se observa que a mayor
concentración de la solución, mayor es la pérdida de peso, relacionada con la
transferencia de masa del alimento al soluto, debido a que el gradiente de
concentraciones alimento/solución osmótica es mayor, como reporta Goula et al.
(2017).
El tiempo empleado en la pérdida de peso de la batata relacionada con la pérdida de
humedad se vio reducido con la aplicación de Ultrasonido para ambas concentraciones
de sacarosa (Figura 6), esto es debido a que la amplitud y potencia del ultrasonido
produce altas presiones en el medio, lo que aumenta la cavitación y el efecto esponja,
aumentando, de la misma manera, la transferencia de masa al medio desde el
producto, por la formación de poros o canales microscópicos resultando mayor la
eficiencia de la difusión del agua e incorporando solutos a la batata. Se obtiene el
mismo efecto de la DO normal, pero en menor tiempo como reporta Villamiel et al.
(2015) en el impacto del ultrasonido en la deshidratación osmótica de frutas y
4. Resultados y discusiones 41
hortalizas, así como también, Fernandes et al. (2008, 2009) en su estudio sobre el
efecto del ultrasonido en la estructura celular de piña y melón.
Figura 6. Pérdida de peso durante osmodeshidratación de batata con y sin aplicación de ultrasonido
La Figura 7 muestra la ganancia de sólidos solubles en la batata durante el proceso de
osmodeshidratación, con y sin la aplicación de ultrasonido. Se observa cómo la
transferencia de sólidos del medio hacia el producto se da en mayor proporción en las
láminas de batata que estuvieron expuestas a concentraciones de 60°Brix con
aplicación de ultrasonido, las láminas de batata que estuvieron expuestas a 50% de
concentración de la solución y no fueron sometidas a ultrasonido presentaron la menor
transferencia de masa de la sacarosa desde la solución hacia el alimento.
Figura 7. Ganancia de sólidos en el tiempo, en el proceso de deshidratación osmótica de batata a 50 y 60 °Brix con y sin aplicación de US.
Esto concuerda con lo que encontraron Bozkir et al. (2019) y Fernandes et al. (2008,
2009) confirmando que mientras mayor es el gradiente de concentración que hay entre
la solución circundante y el alimento expuesto, mayor es la transferencia de masa.
60%
65%
70%
75%
80%
85%
90%
95%
100%
0 10 20 30 40
% p
eso
bat
ata
tiempo (min)
DO (50%) sin US
DO (60%) Sin US
DO (50%) + US
DO (60%) + US
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
°Bri
x
Tiempo (min)
50 No Ult 60 No Ult 50 Ult 60 Ult
4. Resultados y discusiones 42
También, se observa la influencia la aplicación de ultrasonido, notándose que el tiempo
empleado para llegar a la misma concentración es menor para ambas concentraciones
de sacarosa, es así como al finalizar el proceso los tratamientos de mayor cantidad de
sólidos solubles fueron los que se les aplicó ultrasonido, como reporta Prithani y Dash
(2020) que muestra la influencia del pretratamiento ultrasónico en la deshidratación
osmótica del kiwi, manifestando cambios significativos en términos de pérdida de peso
y ganancia de sólidos. Estos cambios se debieron probablemente a la formación de
canales microscópicos en la batata, que permitieron la pérdida de agua con mayor
facilidad, así como la ganancia de sólidos.
La Figura 8 muestra el porcentaje de humedad de la batata durante el proceso de DO
con y sin aplicación de US. En esta, se notó la mayor pérdida de humedad en el
tratamiento a 60°Brix con aplicación de ultrasonido durante el proceso, y la menor
pérdida se observó a 50% de sacarosa en la solución osmótica sin US. Se mostró el
efecto positivo que tiene el aumento del gradiente de concentración ya que proporciona
la mayor presión osmótica en el sistema y mayor fuerza impulsora para la transferencia
de agua desde el alimento al medio, esto está de acuerdo con lo encontrado por
Genina-Soto y Altamirano-Morales (2005) y Mora et al., (2004) en la deshidratación de
mora, y en la deshidratación de prismas de batata, manzana y papa, respectivamente.
Se formaron los canales microscópicos que permitieron mayor velocidad de
transferencia de masa, mostrando mayor pérdida de agua bajo los efectos del
ultrasonido en ambas concentraciones concordando con lo encontrado por Kowalski y
Szadzińska (2014).
Figura 8. Porcentaje de humedad y grados Brix de batata durante el proceso de osmodeshidratación con y sin aplicación de ultrasonido.
La Figura 8 muestra también la relación de la ganancia de sólidos y la pérdida de
humedad, encontrando que a mayor pérdida de humedad se dio la mayor ganancia de
sólidos en la matriz alimenticia. Se observó que fue mayor el paso del agua desde la
10
20
30
40
50
60
30
40
50
60
70
80
0 5 10 15 20 25 30
° B
rix
%H
um
edad
Tiempo , min
60 Ult 60 No Ult 50 No Ult 50 Ult
4. Resultados y discusiones 43
batata hacia el medio, que el ingreso de sacarosa desde la solución hacia el alimento
en el tratamiento a 50% de solución sin aplicación de ultrasonido, confirmando un
proceso efectivo de deshidratación osmótica para estas condiciones, pero hubo mayor
ganancia de solutos que pérdida de agua en los demás tratamientos. Sin embargo,
luego del proceso de DO, a 60% de sacarosa con aplicación de US, se observa que la
diferencia entre la pérdida de humedad y ganancia de solutos se reduce, dándose bajo
estas condiciones la mayor pérdida de humedad (Acevedo et al., 2014).
5.2.3.1 Determinación de los parámetros de color
Se realizaron medidas de color al finalizar el proceso con el fin de investigar el efecto
de las concentraciones y la aplicación de ultrasonido en los cambios de color de la
batata. Los resultados de los valores L* a* b* en las muestras de batata se observan en
la Tabla 6.
Tabla 6. Parámetros L* a* b* medidos en batata osmodeshidratada y sin tratamiento
Ultrasonido % Sacarosa L* a* b* ∆E
No 50 51,93±1,76 27,56±0,85 38,05±0,85 11,42
60 47,80±3,31 24,5±1,03 35,62±1,95 16,44
Si 50 49,09±1,06 26,15±1,76 37,94±2,15 14,40
60 47,21±0,30 26,18±1,58 38,21±0,59 16,22
Blanco 63,17±0,97 28,54±1,53 39,83±1,55
Teniendo en cuenta que el valor L* representa la claridad de la muestra, con respecto
al blanco, todos los tratamientos sufrieron un leve oscurecimiento. Para los parámetros
L*, a* y b*, puesto que el valor-P de la prueba-F es mayor que 0,05, ninguno de los
factores e interacciones tuvo un efecto estadísticamente significativo sobre las
variables de respuesta, con un nivel de confianza del 95,0% (Anexo 7. Anexo 8 y
Anexo 9).
Se determinó que la muestra escogida para el tratamiento de secado fue la sometida a
osmodeshidratación utilizando solución osmótica de sacarosa al 60% de concentración
con aplicación de ultrasonido, pues fue la que mayor pérdida de agua obtuvo, ya que el
cambio de color no fue significativo.
5.3 Secado de batata en túnel
Se determinaron las curvas de secado teniendo en cuenta los datos obtenidos de masa
y de tiempo, así como la humedad de la batata antes de iniciar el proceso. Obteniendo
valores de masa seca del alimento, humedad en base seca de la batata en el tiempo, y
una humedad adimensional para evitar la divergencia en las curvas de secado debido
a que las humedades iniciales son diferentes para cada tratamiento.
4. Resultados y discusiones 44
Se graficó la humedad adimensional versus el tiempo de secado para las tres
temperaturas (50°C, 60°C y 70°C) y las dos velocidades de aire en túnel (1m/s y 2m/s)
en las muestras sin tratamiento “blanco” (Figura 9) y aquella escogida del proceso de
osmodeshidratación y Ultrasonido, el cual fue a 60°brix de solución osmótica de
sacarosa con aplicación de US (Figura 10). La cinética muestra que el proceso de
secado fue más rápido bajo temperaturas de 70°C y velocidades de aire de 2m/s, para
ambos tratamientos. Sin embargo, el proceso resultó más rápido para la batata sin
tratamiento, empleando, para esta temperatura y velocidad de secado,
aproximadamente, 35 minutos, mientras que para la batata pretratada con DO
(solución de sacarosa 60%) y aplicación de US empleó 45 minutos, a pesar de que el
proceso parte con una batata que ha perdido cerca del 33% de su humedad inicial.
Esto se debió a la formación de una capa densa de soluto sobre la superficie del
alimento, que impidió la salida del agua desde la matriz, como reporta Clifford et al.,
(2015).
Figura 9. Curva de secado de batata sin pretratamiento. Temperatura de aire (50, 60 y 70°C) Velocidad de aire (1 y 2 m/s)
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
XR
Tiempo (min)
50 °C(1m/s)
60 °C(1m/s)
70 °C(1m/s)
50 °C(2m/s)
60 °C(2m/s)
70 °C(2m/s)
0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00
0 10 20 30 40 50
XR
Tiempo (min)
70C 2m/s
60C 2m/s
50C 2m/s
70C 1m/s
60C 1m/s
50 C 1m/s
4. Resultados y discusiones 45
Figura 10. Curva de secado de batata pretratada (60% solución sacarosa con aplicación de US) a tres temperaturas (50°C, 60°C y 70°C) y dos velocidades de aire (1m/s y 2 m/s)
La Figura 11 muestra que a temperaturas de 50°C y 1m/s la velocidad de secado es la
menor, para ambos tratamientos. Cabe anotar que aplicando temperaturas de 70°C y
1m/s de velocidad de aire en el túnel resulta una curva muy similar en tiempo y
humedad con respecto la de 50°C y 2m/s, notándose la influencia positiva del aumento
de la velocidad del aire sobre la velocidad de secado. Como se observa, el aumento de
la temperatura del aire causó un aumento importante en la velocidad de secado, por lo
que se redujo el tiempo de secado. Las curvas típicamente demostraron un
comportamiento de secado suave controlado por difusión en todas las condiciones de
ejecución, de acuerdo con lo dicho por Joykumar Singh & Pandey (2012).
Figura 11. Variación de las tasas de secado con el contenido de humedad en batata sin tratamiento
La difusividad efectiva (Deff) de batata sin tratamiento en el secado en túnel, para las
diferentes velocidades y temperaturas se muestra en la Tabla 7. En ella se observa
que a medida que se va aumentando la temperatura del aire en túnel, aumenta la
difusividad efectiva del agua, notándose entonces la influencia de la temperatura en la
velocidad de pérdida de agua. De la misma manera ocurre con las velocidades de
secado, observándose que a una velocidad de 2m/s la difusividad efectiva de las
láminas de batata es mayor.
La difusividad efectiva (Deff) y el coeficiente convectivo de difusividad másica de agua
(hm), en el secado en túnel de batata pre-tratada (DO 60% de sacarosa + US) para las
diferentes velocidades y temperaturas se muestra en la Tabla 8. La mayor 𝐷𝑒𝑓𝑓 y ℎ𝑚 se
presentaron a velocidades de 2 m/s y a 70°C. Mientras que la menor 𝐷𝑒𝑓𝑓 y ℎ𝑚 se
mostraron para temperatura de aire de 60°C y velocidad de 1m/s.
R-cuadrada = 89,9865 porciento R-cuadrada (ajustada por g.l.) = 86,2314 porciento Error estándar del est. = 2,54771 Error absoluto medio = 1,83889 Estadístico Durbin-Watson = 1,18366 (P=0,1542) Autocorrelación residual de Lag 1 = 0,402983
7. Anexos 57
Anexo 7. Análisis de varianza para L* antes de secado
Fuente Suma de
Cuadrados Gl Cuadrado Medio Razón-F Valor-P
Efectos principales
A:Concentración 21.2268 1 21.2268 4.22 0.0741
B:US 5.57603 1 5.57603 1.11 0.3234
INTERACCIONES
AB 3.1827 1 3.1827 0.63 0.4495
Residuos 40.2833 8 5.03542 Total (corregido) 70.2689 11
Anexo 8. Análisis de varianza para a* antes de secado
Fuente Suma de
Cuadrados Gl Cuadrado
Medio Razón-F Valor-P
Efectos principales A:Concentración 4.92801 1 4.92801 3.09 0.1169
B:US 0.00700833 1 0.00700833 0 0.9488
INTERACCIONES AB 6.97688 1 6.97688 4.37 0.0699
Residuos 12.7646 8 1.59558 Total (corregido) 24.6765 11
Anexo 9. Análisis de varianza para b* antes de secado
Fuente Suma de
Cuadrados Gl Cuadrado Medio
Razón-F
Valor-P
Efectos principales A:Concentración 2.38521 1 2.38521 1.01 0.3444
B:US 5.67187 1 5.67187 2.4 0.1599
INTERACCIONES
AB 2.33201 1 2.33201 0.99 0.3495
Residuos 18.8983 8 2.36229 Total (corregido) 29.2874 11
7. Anexos 58
Anexo 10. Análisis de varianza para difusividad de batata pretratada en túnel de secado
Fuente Suma de
Cuadrados Gl
Cuadrado Medio
Razón-F Valor-P
Efectos principales
A:velocidad 3.85E+12 1 3.85E+12 28,76 0,0002
B:temperatura 6.56E+11 2 3.28E+12 24,51 0,0001
Interacciones
Ab 3.07E+11 2 1.53E+11 1,15 0,3502
Residuos 1.61E+12 12 1.34E+11
Total (corregido) 1.23E+13 17
Anexo 11. ANOVA para el parámetro L* En el secado de batata sin tratamiento.
Fuente Suma de
Cuadrados Gl
Cuadrado Medio
Razón-F Valor-P
Efectos principales
A:Velocidad 0.04805 1 0.04805 0.03 0.8737
B:Temperatura 56.1098 2 28.0549 15.4 0.0005
Interacciones
AB 9.51303 2 4.75652 2.61 0.1145
Residuos 21.8622 12 1.82185
Total (corregido) 87.5331 17
Anexo 12. ANOVA para el parámetro a* en el secado de batata sin tratamiento
Fuente Suma de
Cuadrados Gl
Cuadrado Medio
Razón-F Valor-P
Efectos principales
A:Velocidad 36.1533 1 36.1533 22.47 0.0005
B:Temperatura 70.9325 2 35.4662 22.04 0.0001
Interacciones
AB 115.728 2 57.8641 35.96 0
Residuos 19.3085 12 1.60904
Total (corregido) 242.122 17
7. Anexos 59
Anexo 13. ANOVA para el parámetro b* en el secado de batata sin tratamiento
Fuente Suma de
Cuadrados Gl
Cuadrado Medio
Razón-F Valor-P
Efectos principales
A:Velocidad 10.0501 1 10.0501 6.03 0.0303
B:Temperatura 52.3143 2 26.1572 15.68 0.0004
Interacciones
AB 103.073 2 51.5364 30.9 0
Residuos 20.0159 12 1.66799
Total (corregido) 185.453 17
Anexo 14. ANOVA para el parámetro L* En el secado de batata pretratada
Fuente Suma de
Cuadrados Gl
Cuadrado Medio
Razón-F Valor-P
Efectos principales
A:Velocidad 410.125 1 410.125 98.79 0.0000
B:Temperatura 41.3324 2 20.6662 4.98 0.0267
Interacciones
AB 17.9866 2 8.99332 2.17 0.1573
Residuos 49.8189 12 4.15158
Total (corregido) 519.263 17
Anexo 15. ANOVA para el parámetro a* En el secado de batata pretratada
Fuente Suma de
Cuadrados Gl
Cuadrado Medio
Razón-F Valor-P
Efectos principales
A:Velocidad 7.24536 1 7.24536 5.71 0.0341
B:Temperatura 10.0344 2 5.01721 3.96 0.0479
Interacciones
AB 24.9304 2 12.4652 9.83 0.003
Residuos 15.22 12 1.26833
Total (corregido) 57.4302 17
7. Anexos 60
Anexo 16. ANOVA para el parámetro b* En el secado de batata pretratada
Fuente Suma de
Cuadrados Gl
Cuadrado Medio
Razón-F Valor-P
Efectos principales
A:Velocidad 13.3817 1 13.3817 7.95 0.0155
B:Temperatura 27.442 2 13.721 8.15 0.0058
Interacciones
AB 34.8627 2 17.4314 10.36 0.0024
Residuos 20.1965 12 1.68304
Total (corregido) 95.883 17
Anexo 17 . Batata morada de pulpa
anaranjada Anexo 18 . Batata pelada
Anexo 19 . Tajadora a escala de
laboratorio Hobart, modelo FP-100
Anexo 20. Tajadas de batata
7. Anexos 61
Anexo 21 . Medición de geometría de
láminas de batata Anexo 22 . Láminas de batata
Anexo 23. Secado de batata en túnel, vista
frontal. Anexo 24 . Proceso de secado de batata
7. Anexos 62
Anexo 25. Túnel de secado Anexo 26.Equipo de ultrasonido
Anexo 27. Osmodeshidratación + US Anexo 28. Arreglo de láminas de batata en secador de túnel
Anexo 29. Lamina de batata sin tratamiento, batata con DO + US, batata DO+Us+secado
7. Anexos 63
Anexo 30. Determinación de humedad de
batata Anexo 31. Maceración de batata para
determinación de grados brix
Anexo 32. Disposición del espacio para análisis sensorial
Anexo 33. Panelistas realizando análisis sensorial de chips de batata
Universidad de Córdoba
Facultad de ingenierías
Departamento de Ingeniería de Alimentos
Maestría en Ciencias Agroalimentarias
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